不同进水方式下水温对AAOA—膜生物反应器工艺运行效果的影响*

李 捷 罗 凡,2 于 翔 隋 军

(1.广州市市政工程设计研究总院，广东 广州 510060；2.哈尔滨工业大学市政环境工程学院，黑龙江 哈尔滨 150090；3.广东首汇蓝天科技有限公司，广东 广州 510060)

不同进水方式下水温对AAOA—膜生物反应器工艺运行效果的影响*

李 捷1罗 凡1,2于 翔1隋 军3

(1.广州市市政工程设计研究总院，广东 广州 510060；2.哈尔滨工业大学市政环境工程学院，黑龙江 哈尔滨 150090；3.广东首汇蓝天科技有限公司，广东 广州 510060)

对昆明市某污水处理厂的AAOA—膜生物反应器(MBR)工艺在单、多点进水方式下的实际运行数据进行对比分析，探索了进水水温对不同进水方式下处理效果的影响。结果表明：单、多点进水方式下COD去除率均随着水温的升高而降低，但多点进水方式下COD去除率下降趋势更大，落差达到4百分点。水温低于18 ℃的情况下，多点进水方式对氨氮的去除效果劣于单点进水方式；当水温为12 ℃时，多点进水方式的出水氨氮存在超标风险。从整套工艺的处理效果来看，由于多点进水方式对碳源进行了合理分配，其TN去除率随水温升高而逐渐升高，呈现出与单点进水方式相反的趋势。

膜生物反应器 水温 进水方式 脱氮

为了解决A2/O工艺中硝化菌、反硝化菌和聚磷菌在有机负荷、泥龄以及碳源需求上的矛盾和竞争，提出了一种强化脱氮除磷膜生物反应器(MBR)工艺技术AAOA—MBR，使脱氮除磷效率能满足日益严格的排放标准要求[1]。然而，我国城镇污水C/N普遍较低，因而在AAOA—MBR工艺的基础上又引入多点进水机制，将原水按照一定分配比例分别进入厌氧池和缺氧池，可以根据水质特点以及对脱氮除磷的要求合理分配碳源[2]。

目前关于多点进水和AAOA—MBR工艺研究的广度和深度不断加强，但是有关水温对单、多点进水和AAOA—MBR工艺运行效果的专项研究尚不多见。城市污水处理厂由于规模较大，主要建在户外，水温的季节性变化会对其生物处理单元产生一定影响。已有的研究表明，水温对微生物的活性[3]、群落组成[4]、细胞生长、活性污泥的凝聚沉降性[5]、好氧池氧转移效率以及水的运动黏度系数[6]都有较大影响。而针对具有良好脱氮除磷功能的MBR工艺，其进水方式的调配结合季节性水温变化对处理效能影响的研究未见报道。因此，本研究以昆明市某污水处理厂为研究对象，旨在研究水温对单、多点进水AAOA—MBR工艺运行效果的影响，为采用AAOA—MBR工艺的污水处理厂的运行与管理提供参考。

图1 污水处理厂工艺流程示意图Fig.1 Process flows of wastewater treatment plant

注：Q为进水总量，m3/d；Q1、Q2、Q3依次为3个进水点的进水量，m3/d。图2 生化池单元进水配比Fig.2 Inflow allocation ratio of biochemical unit

1 材料与方法

1.1 工艺流程

该污水处理厂地处滇池流域，设计规模60 000 m3/d，实际处理规模约58 000 m3/d，出水水质按《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准执行。采用AAOA—MBR工艺，流程如图1所示。总水力停留时间为17.14 h，其中厌氧池1.98 h，缺氧池4.61 h，好氧池(包括好氧池Ⅰ和好氧池Ⅱ)5.74 h，变化池2.87 h，膜池1.94 h；回流比R1、R2、R3分别为200%、200%、350%。好氧池Ⅰ、Ⅱ采用底部微孔曝气，变化池兼具曝气和搅拌功能(实际运行中仅开搅拌设施)。

此外，从全厂近两年(2014—2015年)的进水水质来看，COD∶TN∶TP=100.0∶13.0∶1.7，TP负荷偏高，为满足排放标准要求，该厂除磷采用生物法+化学法，在超细格栅之后投加铁盐。

1.2 进水水质及配比

污水处理厂生化池分南北两侧共12个廊道并联运行，试验期间将其中1个廊道改为三点进水方式，各进水点的进水量配比如图2所示。污水处理厂的进水均来自市政管网收集的城市生活污水，污水处理厂2015年度进水水质见表1。

表1 2015年进水水质

1.3 采样与分析方法

本次试验的目的是考察水温对单、多点进水方式下AAOA—MBR工艺的影响分析，因此将预处理后的污水作为进水，进水取水点为超细格栅之后的六角配水井，出水取水点为MBR出水排放口(即膜池出水排放口)。水质指标测定方法均参考《水和废水监测分析方法》(第4版)，其中COD采用重铬酸钾法，TN采用碱性过硫酸钾消解—紫外分光光度法，氨氮采用纳氏试剂分光光度法，TP采用过硫酸钾消解—钼锑抗分光光度法。

2 结果与讨论

2.1 水温变化规律

图3为该厂近两年的进水水温变化情况，其月均值为12～24 ℃，最高水温为28 ℃(2015年6月)，最低水温为8 ℃(2014年1月)。基于该污水处理厂全年水温的变化规律，本研究针对AAOA—MBR工艺运行效果影响因素考察时，水温控制为12～27 ℃。

图3 2014—2015年进水水温变化Fig.3 Change of water temperature during 2014-2015

2.2 水温对除磷效果的影响

鉴于进水水质的影响，该厂实际运行中采用化学除磷为主并辅以生物除磷的方式，在超细格栅之后投加铁盐，已将污水中的大部分磷去除。从图4中TP的沿程变化可以看出，单点进水方式下，厌氧池末端的TP已低于0.5 mg/L。不同水温条件下，自厌氧池之后的各池体中，TP浓度沿程变化不大，这主要是由于前端预处理时的化学除磷已将污水中的磷去除至较低浓度，后端生物除磷尽管会受到水温的影响，但此时TP浓度已处于较低水平。此外，多点进水方式下，TP出水情况也类似。鉴于此，以下仅就水温对去除COD、氨氮、TN的影响进行重点论述。

图4 单点进水方式下水温对TP去除效果的影响Fig.4 Effect of water temperature on TP removal under single-influent feed mode

2.3 不同进水方式下水温对COD去除效果的影响

考察了2014年11月至2015年8月不同水温下COD的处理效果，结果见图5。进水COD为206～309 mg/L，AAOA—MBR工艺对COD的去除效果较为稳定，无论是单点进水还是多点进水，出水COD均能低于20 mg/L，满足出水排放要求。不同进水方式下水温对于COD处理效果的影响有所不同。单点进水时，COD去除率随着水温升高略微降低。主要原因包括：夏季时进水COD较低，进而影响了整体降解效果；污水中COD的去除主要是通过活性污泥的吸附和氧化分解作用实现，通常微生物酶活性及其对COD的分解和入胞速率均随着水温的降低而降低，但由于采用了MBR工艺，生化池长期稳定处于高污泥浓度状态，因而对水温变化具有一定的抗冲击能力[7-8]。多点进水时，随着水温的升高COD去除率逐渐下降，27 ℃与12 ℃相比，COD去除率下降了4百分点左右，这是由于在多点进水方式下，从缺氧池和变化池进水经历的COD吸附和氧化路程短于单点进水，在夏季进水COD较少时，与单点进水相比，多点进水的COD去除率明显更低。

图5 单、多点进水方式下水温对COD去除效果的影响Fig.5 Effect of water temperature on COD removal under single-influent and multiple-influent feed modes

2.4 不同进水方式下水温对氨氮去除效果的影响

图6展示了水温与氨氮去除率的变化关系。由图6可以看出，水温为12～27 ℃时，AAOA—MBR工艺对氨氮的去除率均可以达到93%以上。单点进水时，不同水温条件下的氨氮去除率波动较小。但多点进水时，水温对氨氮去除率的影响呈现两段式变化：当水温低于18 ℃时，氨氮去除率随着水温的升高而明显升高；当水温超过18 ℃后，氨氮去除率的变化趋势与单点进水相似，波动较小。决定氨氮去除率的影响机理主要包括：(1)参与硝化反应的细菌多为中温细菌，适宜于20～30 ℃生长，其活性在中温条件下要高于低温条件[9]，因此氨氮去除率应随着水温的升高而升高；(2)MBR中气水比较高，且膜池回流到好氧池的回流液也将携带大量DO，在同等硝化速率的条件下，MBR更能保证出水氨氮低值。鉴于此研究考察的是AAOA—MBR工艺，在单点进水条件下，机理(2)中的MBR提供的充足DO占据了优势，因而即使水温低至12 ℃时，氨氮去除率均未受到影响。而对于多点进水方式，其中两个进水点位于生化池的中后段，相应降低了该部分污水在生化池中的停留时间，从而会引起进入膜池的氨氮和COD高于单点进水；此外，机理(1)中水温对硝化反应速率的影响占据优势，促使水温对氨氮去除率的影响呈现两段模式。试验期间，在水温为12 ℃时，多点进水系统的出水氨氮均值基本低于1.6 mg/L，但个别天数出水氨氮较高，达到4.6 mg/L，存在出水氨氮超标的风险。因此，当水温较低时，多点进水方式应慎重选择。

图6 单、多点进水方式下水温对氨氮去除效果的影响Fig.6 Effect of water temperature on ammonia nitrogen removal under single-influent and multiple-influent feed modes

2.5 不同进水方式下水温对TN去除效果的影响

TN去除机制较COD和氨氮更为复杂，它受反硝化菌、有机碳源、硝酸盐等多种因素的影响。本研究的AAOA—MBR工艺中由于膜的高效截留作用，可维持较高的混合液悬浮固体浓度(MLSS)；基于2.4节的结论可以看出，不同水温下氨氮去除率均较高，可以产生大量的反硝化过程电子受体，因此反硝化菌和底物浓度不会成为影响TN去除率的主导因素。

由图7可以看出，对于单点进水方式，TN去除率随着水温的升高而降低，从69.2%(12 ℃)降低至61.9%(27 ℃)，降了7.3百分点。这是因为水温升高不仅提高了反硝化菌活性，与之争夺有机物的异养菌的活性也随之升高，从而导致反硝化菌可用的有机物比例减少，同时进水C/N受季节降水量和用水量变化的影响，限制了反硝化进程；另一方面，膜池内回流携带大量的DO，而水温升高又大大提高了氧传质效率[10]，导致生化池中参与反硝化反应的缺氧池、变化池内的DO发生改变。由图8可以看出，厌氧池、缺氧池和变化池中的DO均随着水温的升高而升高，其中变化池中DO差异最大，由0.08 mg/L(12 ℃)升高至0.57 mg/L(24 ℃)。这是由于变化池前设有好氧池，虽然变化池在未曝气状态运行，但是由于膜池回流携带的大量DO进入好氧池，随后推流入变化池，水温升高带来的高效氧传质效率导致变化池内DO升高，致使变化池缺氧生境被打破，而由变化池回流进入缺氧池的回流液中的DO相应升高，进而又影响了缺氧池的反硝化效率。对于多点进水方式，在水温为12～27 ℃时，TN去除率均高于单点进水，且随着水温的升高，两者的差距逐渐增大，从2.1百分点(12 ℃)的差距增加至19.3百分点(27 ℃)。

图7 单、多点进水方式下水温对TN去除效果的影响Fig.7 Effect of water temperature on TN removal under single-influent and multiple-influent feed modes

与单点进水相比，多点进水方式能提高有机物的利用率。本试验中在缺氧池与变化池中增设了两个进水点，试验结果显示该进水方式提高了对TN的去除效果。多点进水方式下，污水中碳源高效分配是一方面，回流液中内碳源的开发再利用也不可忽视。由图7可以看出，水温对多点进水方式下的脱氮效率的影响有别于单点进水。结合2.3节的分析，多点进水下COD去除率随着水温升高而逐渐降低，因而其中可用于变化池反硝化的碳源也多于单点进水；此外，多点进水中的进水点之一是在变化池进水，这最大程度减少了好氧池曝气对有机物的氧化作用，呈现出变化池的反硝化速率随着水温升高而升高的趋势。因此，从整体脱氮效能来看，多点进水方式下水温升高有利于TN的去除。

图8 不同水温下厌氧池、缺氧池、变化池内的DO变化趋势Fig.8 DO variation tendency of anaerobic,anoxic and after anoxic tanks under different water temperature conditions

3 结 论

(1) 对于单点进水方式，水温变化对COD和氨氮的出水效果影响较小，但反硝化进程受进水C/N和膜池回流液的影响，TN去除率随着水温升高逐渐降低，降低了7.3百分点。

(2) 对于多点进水方式，随着水温的升高，受进水COD季节性变化的影响，COD去除率略微降低，但TN去除率逐渐升高。由于多点进水对进水进行了合理分配，TN去除率优于单点进水，且水温越高，多点进水的脱氮优势越明显。

(3) 当水温较低时，多点进水方式存在出水氨氮超标的风险，应根据实际情况合理调整进水比例。

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EffectofwatertemperatureonperformanceofAAOA-MBRprocessoperatedunderdifferentfeedmodes

LIJie1,LUOFan1,2,YUXiang1,SUIJun3.

(1.GuangzhouMunicipalEngineeringDesign&ResearchInstitute,GuangzhouGuangdong510060;2.SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering,HarbinInstituteofTechnology,HarbinHeilongjiang150090;3.GuangdongShouhuiLantianEngineeringTechnologyCo.,Ltd.,GuangzhouGuangdong510060)

The actual operation data of single-influent and multiple-influent system in AAOA-membrane bioreactor (MBR) process were comparative analyzed based on a Kunming wastewater treatment plant. The treatment effect of water temperature on these two feed modes was explored. The results showed that the COD removal rates in single-influent and multiple-influent system both decreased with the increase of water temperature,while a bigger decrease of COD removal rate (up to 4 percent points) was found in multiple-influent system. When water temperature was below 18 ℃,the ammonia nitrogen removal rate of multiple-influent system was inferior to single-influent system and the exceeding risk of ammonia nitrogen amount existed in the effluent of multiple-influent system when water temperature was 12 ℃ during the test process. From the treatment effect of the system, the TN removal rate of multiple-influent system gradually increased with the water temperature rose due to reasonable distribution of carbon source in water. However,the single-influent system presented an opposite trend.

MBR; water temperature; feed mode; denitrification

李 捷，女，1972年生，博士，高级工程师，主要从事市政供水工艺技术、城镇污水处理工艺技术、污水深度处理与再生利用工艺技术等研究。

*广东省省级科技计划项目(No.2014B090904021)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.12.018

2016-10-18)